Patent DE-202021001932-U1 (DE)
Title: Luft-Elektro-Hybrid (LEH) für Fahrzeuge (doppelte Konstantdrossel)
IPC: F02B21/00
Filed: 2021-06-01
Abstract: LEH für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem durch den Fahrer und/oder durch eine Geschwindigkeitsregelanlage (z.B. Tempomat und/oder PPC Predictive Powertrain Control) eingeleitete Bremsung die Bremswirkung durch den Luft-Hybrid, den Elektro-Hybrid (Rekuperation) und der bekannten Dauerbremsanlagen rechnerüberwacht bzw. rechnergesteuert und/oder rechnergeregelt ist und optimal aufeinander abgestimmt wird, sodass eine optimale Gesamt-Energierückgewinnung und bremsverschleißarme Fahrweise ermöglicht wird. Der Luft-Hybrid kann beim Bremsen Druckluft speichern und im Antriebsfall einzelne oder mehrere oder alle Kolben des Verbrennungsmotors und/oder separate nur durch den Luft-Hybrid genutzte Kolben beaufschlagen und/oder mindestens einen Turbolader ganz oder teilweise antreiben.
 Der Elektro-Hybrid kann beim Bremsen elektrische Energie rekuperieren (Generatorfunktion), in Akkus speichern und im Antriebsfall einen Elektromotor antreiben. Der LEH kann aus mindestens einem speziellen 4-Takt-Motor, mindestens einem Elektromotor, mindestens einem Generator (falls der Elektromotor keine Generatorfunktion besitzt), mindestens einem Luftpresser (kann elektrisch angetrieben sein) und mindestens einem Druckluftkessel (mit mindestens einem Drucksensor) bestehen. Beim Bremsen, z.B. durch Betätigen des gebräuchlichen Lenkstockhebels der herkömmlichen Dauerbremsanlagen (z.B. bisher einfache Konstantdrossel, Retarder, Wirbelstrombremsen, Staudruckbremsen) wird der Bremsbedarf durch den speziellen 4-Takt-Motor und/oder durch Rekuperation des Elektro-Hybrids und/oder Dauerbremsanlagen (falls vorhanden) vollständig oder teilweise gedeckt (evtl. Zuschaltung der Betriebsbremsanlage).
 Der spezielle 4-Takt Motor hat pro Zylinder neben dem mindestens einmal vorhandenen Einlass- und dem mindestens einmal vorhandenen Auslassventil mindestens zwei weitere dem Brennraum zugängliche Zusatzventile (-> doppelte Konstantdrossel). Diese können ebenfalls im Zylinderkopf untergebracht und ihre Öffnungszeiten können variabel gestaltet sein (rechnergesteuert und/oder rechnergeregelt).
 So kann beim Bremsen beim 2.Takt (1.Takt Ansaugen, 2.Takt Verdichten, 3.Takt Arbeiten, 4.Takt Auslassen) das erste Zusatzventil geöffnet sein, sodass die im 1.Takt angesaugte Luft durch das geöffnete erste Zusatzventil in die Druckluftkessel der Druckluftbremsanlage und/oder den Druckluftkessel des Luft-Hybrids gepumpt werden kann (variable Bremswirkung je nach Druck in den Druckluftkesseln). Das zweite Zusatzventil öffnet sich zum Ende des 2.Takts (nach Schließen des ersten Zusatzventils), mindestens solange, dass die sich dann noch im Brennraum befindende verdichtete Luft durch das zweite Zusatzventil nahezu vollständig in die Atmosphäre ausströmen und beim 3.Takt ein bremsender Unterdruck gebildet werden kann (falls die Abbremsung dadurch nicht zu stark ist, bekannte Konstantdrossel-Funktionsweise). 
 Ist die Abbremsung durch das Pumpen durch das erste Zusatzventil zu groß (Ermittlung durch Drucksensoren) oder ist der Abschaltdruck in den Druckkesseln erreicht, bleibt dieses geschlossen. Ist die Abbremsung durch das zweite Zusatzventil, durch Ablassen des Überdrucks zu groß, bleibt dann auch dieses geschlossen. Durch Öffnen des zweiten Zusatzventils auch während des 1.Takts (leichteres Ansaugen), dann bei Bedarf durch zusätzliches Öffnen beim 4.Takt (leichteres Ausströmen), kann die Bremswirkung bis in eine Art Abschalt- und Segelmodus heruntergefahren werden. Der Verbrennungsmotor kann auch durch automatisiertes Auskuppeln und/oder Einlegen des Leerlaufs in den Abschalt- bzw. Segelmodus versetzt werden. Der Abschalt- bzw. Segelmodus kann auch dazu genutzt werden um eine stärkere Rekuperation des Elektro-Hybrids zu ermöglichen (z.B. bei vollen Druckluftkesseln).
 Der Rechner ermittelt je nach eingeleitetem Bremsbedarf zuerst ob durch das erste Zusatzventil in die Druckluftkessel der Druckluftbremsanlage gepumpt werden kann, dann ob in den Druckluftkessel für den Luft-Hybrid gepumpt werden kann (mit oder ohne Funktion zweites Zusatzventil, falls die Bremswirkung dadurch nicht zu stark ist, evtl. bei Bedarf Zuschaltung Luftpresser), dann ob gleichzeitig oder allein rekuperiert werden kann (Anpassung der Stärke), dann ob und wie stark der spezielle Verbrennungsmotor bremsen muss (erstes Zusatzventil zu, Anpassung der Öffnungszeit zweites Zusatzventil), dann ob und wie stark Dauerbremsanlagen zusätzlich oder allein hinzugeschaltet werden müssen. Bei automatisierten Getrieben kann auch durch Herunterschalten eine höhere Bremswirkung und durch Hochschalten eine geringere Bremswirkung des LEH erzielt werden.
 Prüfabfolge durch den Rechner:
 1. - Kann in Druckluftkessel der Druckluftbremsanlage gepumpt werden? (falls Bremswirkung nicht zu stark, mit oder ohne Funktion des zweiten Zusatzventils, Druckkessel nicht gefüllt, muss evtl. Luftpresser aktiviert werden?)
 2. - Kann in Druckluftkessel des Luft-Hybrids gepumpt werden? (falls Bremswirkung nicht zu stark, mit oder ohne Funktion des zweiten Zusatzventils, Druckkessel nicht gefüllt, muss evtl. Luftpresser aktiviert werden?)
 3. - Kann zusätzlich oder allein rekuperiert werden? (evtl. Zurückfahren des Bremsmoments des Verbrennungsmotors bis in den Abschalt- bzw. Segelmodus und/oder Auskuppeln und/oder Einlegen des Leerlaufs?)
 4. - Wie stark muss der Verbrennungsmotor bremsen? (erstes Zusatzventil zu, ohne Druckluftgewinnung, wann öffnet das zweite Zusatzventil?)
 5. - Wie stark müssen Dauerbremsanlagen (z.B. Retarder) (mit)bremsen?
           Erf     u   ¨     llung Bremsbedarf   =    evtl   .    Bremsung durch Pumpen in Druckluftkessel           +   evtl   .    Bremsung durch Rekuperation           +   evtl   .    Bremsung durch Verbrennungsmotor           +   evtl   .    Bremsung durch Dauerbremsanlagen             
 Im Antriebsfall (z.B. durch Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer und/oder Geschwindigkeitsregelanlage z.B. Tempomat und/oder PPC Predictive Powertrain Control) kann beim 3.Takt das erste Zusatzventil geöffnet werden, sodass antreibende Druckluft einströmen kann (schließt zum Ende des 3.Takts).
 Das zweite Zusatzventil kann während des 2.Takts geöffnet werden (schließt vor Öffnen des ersten Zusatzventils).
 Die Druckluft des Druckluftkessels des Luft-Hybrids kann auch dazu verwendet werden um einen Turbolader ganz oder teilweise anzutreiben (z.B. Twinscrolllader, Registeraufladung, Biturbo, Compound-Technologie).
 Der Rechner ermittelt zunächst ob der aktuelle Antriebsbedarf (Drehmomentanfrage) allein durch den Luft-Hybrid (je nach momentanem Druck in Druckluftkessel), dann ob er durch den Luft-Hybrid und den Elektro-Hybrid (Antrieb durch Elektromotor) gedeckt werden kann, dann wann, wie viele und wie stark Zylinder zusätzlich herkömmlich mit Kraftstoff betrieben werden müssen. Werden Zylinder herkömmlich mit Kraftstoff betrieben, bleiben bei diesen das erste und zweite Zusatzventil permanent geschlossen. Bei Mehrzylindermotoren können gleichzeitig mindestens ein Zylinder herkömmlich und mindestens ein Zylinder durch den Luft-Hybrid betrieben werden (Leitungssteigerung, evtl. bei automatisierten Getrieben Anpassung der Gangwahl). Die Gesamt-Systemleistung aus Luft-Hybrid (Druckbeaufschlagung von Zylindern) und/oder Elektro-Hybrid (Elektromotor) und/oder teilweisem Zuschalten von Zylindern des speziellen Verbrennungsmotors (herkömmlich durch Kraftstoff) ist entweder identisch der maximalen Leistungsabgabe bei ausschließlich herkömmlich genutztem Verbrennungsmotor, sodass bei automatisierten Getrieben die Gangwahl identisch bleibt oder bei einer Gesamt-Systemleistung über der maximalen Leistungsabgabe des herkömmlich genutzten Verbrennungsmotors kann durch Hochschalten eine ähnliche Leistungs- und Drehmomentkurve an den Antriebsrädern erreicht werden.
 Prüfabfolge durch den Rechner:
 1. - Können ein oder mehrere oder alle Zylinder mit Druckluft betrieben werden?
 2. - Kann der Elektromotor zusätzlich oder allein (z.B. falls Antrieb durch Luft-Hybrid nicht möglich) antreiben?
 3. - Muss der Verbrennungsmotor einzelne oder mehrere oder alle Zylinder herkömmlich (durch Kraftstoff) antreiben?
           Erf     u   ¨     llung Antriebsbedarf   =    evtl   .    Antrieb durch Luft-Hybrid           +   evtl   .    Antrieb durch Elektro-Hybrid           +   evtl   .    Antrieb durch Verbrennungsmotor